一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，包括激光器、扩束系统、成像透镜和一维阵列探测器，所述扩束系统位于所述激光器的激光输出口后，所述成像透镜和所述一维阵列探测器依次位于扩束系统输出的光路上，目标旋转物体位于所述扩束系统和所述成像透镜之间的光路上，所述激光器射出的光束经过所述扩束系统扩束后打到目标旋转物体上，并经过所述成像透镜成像到一维阵列探测器所在平面，所述一维阵列探测器从接收的图像光学信号中提取拉盖尔高斯谱并采用拉盖尔高斯变换重构目标旋转物体图像。本发明专利技术图像处理更方便。

A rotating object imaging system based on Laguerre gauss transform

【技术实现步骤摘要】
一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统
本专利技术涉及成像技术，尤其涉及一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统。
技术介绍
傅里叶变换将信号分解为组分频率，因为许多线性操作包括微分和卷积在频域都很容易操作，例如信号处理、微分公式分析、傅里叶转换频谱学。一个重要的分支是傅里叶光学，从光学图像到其空间频谱的变换只需要一个透镜就可以实现。基于傅里叶光学，图像边缘加强、空间滤波、图像重构、计算全息、图像压缩等图像处理处理技术发展起来。然而有一个很重要的应用场景，那就是需要对航空发动机、储能飞轮、高速离心机等旋转物体进行成像监控。光学傅里叶变换技术此时很难发挥作用，因为光场在旋转过程当中，傅里叶频谱的组分也在随之改变，基于傅里叶变换的成像就会变得混乱和复杂。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian,LG)谱的成分不会随着光场的旋转而改变，因此，本专利技术成像比较简单，图像处理比较方便。技术方案：本专利技术所述的基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统包括激光器、扩束系统、成像透镜和一维阵列探测器，所述扩束系统位于所述激光器的激光输出口后，所述成像透镜和所述一维阵列探测器依次位于扩束系统输出的光路上，目标旋转物体位于所述扩束系统和所述成像透镜之间的光路上，所述激光器射出的光束经过所述扩束系统扩束后打到目标旋转物体上，并经过所述成像透镜成像到一维阵列探测器所在平面，所述一维阵列探测器从接收的图像光学信号中提取拉盖尔高斯谱并采用拉盖尔高斯变换重构目标旋转物体图像。进一步的，所述一维阵列探测器位于所述成像透镜的成像面的半径处，像素覆盖到图像的中心以及边缘。进一步的，所述扩束系统由两个透镜组成，位于后面的透镜是位于前面透镜的焦距的多倍。进一步的，所述重构目标旋转物体图像通过在一维阵列探测器内加载程序实现，该程序在被执行时具体实现如下步骤：A、将一维阵列探测器接收的图像光学信号按照下式进行时间上的傅里叶变换，得到变换后的信号：式中，bl(r)表示傅里叶变换后的信号，r表示光场半径，T表示目标旋转物体的旋转周期，l表示角向系数，φ0表示表示一维阵列探测器的方位角，E(rn,φ0,t)表示一维阵列探测器接收的图像光学信号，B、根据傅里叶变换后的信号计算下式，得到拉盖尔高斯模式系数：式中，Ap,l表示角向系数为l、径向系数为p时拉盖尔高斯模式的系数，LGp,l(r)表示拉盖尔高斯模式的径向分布，且ω0表示束腰，表示拉盖尔多项式；C、根据拉盖尔高斯模式系数按照下式重构目标旋转物体图像：式中，E(r,φ)表示重构后的目标旋转物体图像，φ表示空间方位角。进一步的，所述激光器具体为1064nm激光器。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术从线性阵列探测器测量到的光学信号中一次性提取LG谱，用不同范围的谱重构处不同精度的图像，LG谱的成分不会随着光场的旋转而改变，因此，本专利技术的系统成像比较简单，图像处理比较方便。附图说明图1为本专利技术的一个实施例的结构图；图2为图像LG谱的权重及相位示意图；图3中(a)-(d)分别为1/16、1/4、9/16及全部范围的光谱，(e)-(h)分别为(a)-(d)范围光谱重构的图。具体实施方式本实施例提供了一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，如图1所示，包括激光器1、扩束系统2、成像透镜4和一维阵列探测器5，扩束系统2位于激光器1的激光输出口后，成像透镜4和一维阵列探测器5依次位于扩束系统1输出的光路上，目标旋转物体3位于扩束系统2和成像透镜4之间的光路上。激光器1为808nm激光器，扩束系统2由焦距为50mm和500mm的两个透镜组成，两个透镜的距离为550mm，可以将激光器1出射的808nm光束扩束10倍，目标旋转物体3旋转周期为50ms，成像透镜4的焦距为200mm，物距和像距都为400mm。一维阵列探测器5位于成像透镜的成像面的半径处，即φ0＝0半径处，刷新率为22KHz，像素覆盖到图像的中心以及边缘。在工作时，激光器1射出的光束经过扩束系统2扩束后打到目标旋转物体3上，并经过成像透镜4成像到一维阵列探测器5所在平面，一维阵列探测器5从接收的图像光学信号中提取拉盖尔高斯谱并采用拉盖尔高斯变换重构目标旋转物体图像。为了从得到的光学信号中提取LG谱，理论分析如下：拉盖尔高斯模式的表达式如下：根据数字螺旋成像的原理，一张振幅型的图可以分解为LG模式的叠加：其中r表示半径，φ表示空间的方位角，Ap,l为LG模式的系数，是复数，且定义其中bl(r)代表随光场半径变换的轨道角动量谱，是由相同角向系数l，不同径向系数p的LG模式叠加而成的。代表着LG模式的径向分布。所以当物体以Ω的转速自转，根据旋转多普勒效应，拓扑荷为l的轨道角动量模式会产生lΩt的频率移动，所以旋转光场可以重新表示为：将一维阵列探测器旋转光场E(r,φ,t)的方位角φ0处的半径位置上。将获得的光场E(r,φ0,t)进行时间上的傅里叶变换：其中代表着旋转周期。任何束腰的LG模式的空间分布LGp,l(r)是已知的，我们可以根据公式(3)，拟合出每个LG模式的系数Ap,l。根据得到的LG谱Ap,l，可以通过公式(2)合成光场。因此，通过以上分析，可以在一维阵列探测器内加载程序实现重构目标旋转物体图像，该程序在被执行时具体实现如下步骤：A、将一维阵列探测器接收的图像光学信号按照下式进行时间上的傅里叶变换，得到变换后的信号：式中，bl(r)表示傅里叶变换后的信号，r表示光场半径，T表示目标旋转物体的旋转周期，l表示角向系数，φ0表示表示一维阵列探测器的方位角，E(rn,φ0,t)表示一维阵列探测器接收的图像光学信号，B、根据傅里叶变换后的信号计算下式，得到拉盖尔高斯模式系数：式中，Ap,l表示角向系数为l、径向系数为p时拉盖尔高斯模式的系数，LGp,l(r)表示拉盖尔高斯模式的径向分布，且ω0表示束腰，表示拉盖尔多项式；图2(a)和(b)分别为LG谱的权重和相位。C、根据拉盖尔高斯模式系数按照下式重构目标旋转物体图像：式中，E(r,φ)表示重构后的目标旋转物体图像，φ表示空间方位角。图3中(a)-(d)分别对应LG谱1/16、1/4、9/16、1的覆盖范围。(e)-(h)分别对应(a)-(d)范围的谱重构的图。以上所揭露的仅为本专利技术一种较佳实施例而已，不能以此来限定本专利技术之权利范围，因此依本专利技术权利要求所作的等同变化，仍属本专利技术所涵盖的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，其特征在于：包括激光器、扩束系统、成像透镜和一维阵列探测器，所述扩束系统位于所述激光器的激光输出口后，所述成像透镜和所述一维阵列探测器依次位于扩束系统输出的光路上，目标旋转物体位于所述扩束系统和所述成像透镜之间的光路上，所述激光器射出的光束经过所述扩束系统扩束后打到目标旋转物体上，并经过所述成像透镜成像到一维阵列探测器所在平面，所述一维阵列探测器从接收的图像光学信号中提取拉盖尔高斯谱并采用拉盖尔高斯变换重构目标旋转物体图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，其特征在于：包括激光器、扩束系统、成像透镜和一维阵列探测器，所述扩束系统位于所述激光器的激光输出口后，所述成像透镜和所述一维阵列探测器依次位于扩束系统输出的光路上，目标旋转物体位于所述扩束系统和所述成像透镜之间的光路上，所述激光器射出的光束经过所述扩束系统扩束后打到目标旋转物体上，并经过所述成像透镜成像到一维阵列探测器所在平面，所述一维阵列探测器从接收的图像光学信号中提取拉盖尔高斯谱并采用拉盖尔高斯变换重构目标旋转物体图像。


2.根据权利要求1所述的基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，其特征在于：所述一维阵列探测器位于所述成像透镜的成像面的半径处，像素覆盖到图像的中心以及边缘。


3.根据权利要求1所述的基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，其特征在于：所述扩束系统由两个透镜组成，位于后面的透镜是位于前面透镜的焦距的多倍。


4.根据权利要求1所述的基于拉盖尔高斯变换的旋转物体成像系统，其特征在于：所述重构目标旋转物体图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏丹，王天新，马剑涛，徐钏，张勇，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32